Plantes à C4 et CAM

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Plantes à C4 et CAM

Message par Toumai le Dim 14 Juin - 17:36

Une des première leçon que je fais serieusement, elle est facile mais finalement pas si évidente à organiser et à illustrer.
Dans l'attente de vos avis


Les plantes en C4 et CAM


Intro : chez les plantes vertes une enzyme permet de fixer le CO2 et de le réduire sous forme glucidique dans une étape de la phase non photochimique du cycle de Calvin-Benson.
Cette enzyme à donc la particularité de pouvoir intégrer à une molécule de ribulose un CO2 afin de former une molécule de glycérate.
Cependant cette enzyme est dépendante de la concentration en CO2 dans la cellule et peut selon les conditions retransformer des molécules organique en CO2 inorganique ce qui évidemment représente une baisse de rendement.
Au cours de l'évolution certains métabolisme alternatif ont été sélectionné et certaines plantes ont développées des mode de fixation du carbone qui réduisent la photorespiration au minimum et optimisent le cycle de Calvin, même dans les climats arides. En effet l'eau est aussi un facteur limitant du métabolisme photosynthétique chez les plantes de nombreux climats. Les deux adaptations de ce type les plus importantes sont la photosynthèse en C4 et le métabolisme acide crassulacéen (CAM).
On montre une plante de type C4 et une plante CAM.

Quels mécanismes développés chez les plantes C4 et CAM permettent d'optimiser la photosynthèse?

Au cours de cet exposé nous exposerons tout d'abord les grands principes de la photosynthèse et de la photorespiration, puis nous verrons en quoi les plantes au types C4 possèdent elles un métabolisme plus performant que les plantes C3. Enfin nous nous pencherons sur le métabolisme CAM et étudierons pourquoi il constitue une adaptation très efficace en milieu aride.

I)La photosynthèse et la photorespiration

La photosynthèse est un processus métabolique complexe par lequel les plantes vertes peuvent produire de la matière organique. Pour cela elle utilise l'énergie solaire afin d'enclencher des chaines d'oxydo-réduction complexes qui visent au final à créer de l'ATP et des glucides.
Comme nous l'avons dis en introduction la photosynthèse fait intervenir le cycle de Calvin qui permet de reduire le CO2 en sucres simples.

Schéma simplifié de la photosynthèse (C3) et du cycle de Calvin.

Comme on peut le voir sur ce cycle une enzyme joue un rôle essentiel dans la reduction du CO2, il s'agit de la Ribulose Carboxylase Oxydase. Cette enzyme comme son nom l'indique permet d'effectuer une carboxylation du ribulose (ajout d'un CO2) afin de le transformer en glycérate.

Cependant cette enzyme a une action réversible qui a été découverte assez récemment (1969) par les chercheurs : lorsque les stomates sont fermés par temps chaud et/ou sec la Rubisco peut inverser son action et fonctionner comme une oxydase. Dans ces conditions le taux de CO2 étant décroissant à l'intérieur de la feuille (car fixé sur le ribulose) l'activité de la rubisco ralentit et peut même retransformer des composés organiques carbonnés comme le glycolate en CO2, ce qui représente une perte sèche de rendement pour la plante.
Certains scientifiques estiment que ce phénomène est une relique métabolique des temps ou l'oxygène était plus rare dans l'atmosphère et le CO2 plus abondant, cependant cela reste une hypothèse. On peut aussi considérer la photorespiration comme un moyen de protection des effets potentiellement nocifs d'une forte teneur en 02 dans les tissus végétaux. En fait on ne sait pas si elle comporte un quelquonque avantage pour les végétaux mais il a pu être mesuré que 50% du carbone fixé par le cycle de Calvin été rejeté par ce processus chez les grandes cultures type blé.

Pour résumer la photorespiration réduit le rendement de la photosynthèse en soutirant de la matière au cycle de Calvin.

Schéma des étapes de la photorespiration. Expérience???


II)L'évolution a permis à certaines plantes de contourner ce problème

a) La découverte du processus

Découvert en 1954 par Kortschak, Burr et Hartt chez la canne à sucre grâce à des marquages au 14C du CO2, en 1960 chez le maïs par Karpilov : premier composé stable radioactif formé au cours de la photosynthèse + sucre en C4 d'où le nom de ce métabolisme.
En 1966 Hatch et Slack proposent un modèle pour ce processus qui porte désormais leur nom.

Schéma du fonctionnement métabolique d'une plante en C4 avec différents tissus impliqués (mésophylle, gaine...), rôle de la PEP et explication des étapes du processus

b) Une compartimentation des réactions photosynthétique

On remontre le schéma en montrant l'avantage que confère la compartimentation, transport cyclique dans la gaine (peu de PS2) et transfert non cyclique dans le mésophylle + formation des C4 dans le mésophylle puis des C3 dans la gaine perivasculaire.

On montre une coupe microscopique d'une feuille de plante C4

Affinité plus grande de la PEP pour le CO2 (sous forme de bicarbonate) par rapport à la rubisco, 6 x plus, ce qui permet de concentrer le CO2 au voisinage de la rubisco et donc d'inhiber totalement la photorespiration.

c) Un mécanisme plus exigeant en énergie

5 ATP au lieu de trois (on rajoute les étapes de formation/consommation d'ATP sur le schéma) pour 1 C02 fixé.
Mais plus efficace dans un environnement chaud et sec car même lorsque les stomates sont fermées le mécanisme fonctionne bien (pout une faible concentration en CO2) et car la chaleur favorise la fonction oxygénase de la Rubisco (l'absence de photorespiration rend la photosynthèse C4 plus efficace en climat chaud et sous éclairement intense que la C3). L'éclairement max permet la synthèse max d'ATP nécessaire à ce métabolime plus couteux en énergie.

III)Une adaptation plus spécifique aux climats chauds et secs

Historique??? Expériences???

Explication du métabolisme CAM avec schéma à l'appui.

Bilan sur la capacité qu'on ces plantes à pousser dans des milieux arides.
Ne pas oublier qu'en periode humide les CAM peuvent redevenir C3.
On montre une CAM et on élargit sur les autres adaptations face à la sécheresse (épaisseur épiderme, pression osmotique interne très élevée...), on montre un cactus et un euphorbe.

IV)Comparaison C3/C4/CAM

Tableau comparatif (Mayer) des trois types de métabolisme.
Graph comparatif photosynthèse C4/C3 en fonction du taus de CO2, explication du point de compensation (Mayer)
Conclu :

pour produire leur matière organique les plantes ont besoin de transformer l'énergie lumineuse en énergie chimique lors de la photosynthèse. Ce processus peut être optimisé par principalement deux processus, l'un particulièrement adapté aux climats chauds et humides et l'autre particulièrement résistant dans des conditions de sécheresse extrème.
En ce qui concerne les plantes C4 elles représentent une source non négligeable d'apport de matière carbonées pour les populations hulaines notamment en ce qui concerne le maïs, le sorgho, la canne à sucre...
Pour les plantes à type CAM elles représente une exemple très pertinent de lien entre la structure et la fonction chez les êtres vivants autotrophes mais aussi d'adaptation à l'environnement.

De plus certaines plantes de types CAM sont aussi un bel exemple d'évolution convergente : cactus et euphorbe peuvent être morphologiquement semblables bien que les premiers aient émergés en Amérique et les second en Afrique et qu'ils appartiennent à des famille distinctes.

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Re: Plantes à C4 et CAM

Message par levogyre le Dim 14 Juin - 18:09

faudrait mettre des couleurs (voui je sais, c'est long) ça serait plus facile à lire

je n'ai pas tout lu justement, mais je crois que je ne ferais pas la première partie comme ça: il ne faut pas déborder du sujet et ne traiter que les plantes en C4 et CAM... les plantes en C3 ne doivent être abordées que pour une comparaison (que tu fais après je crois)

levogyre

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Re: Plantes à C4 et CAM

Message par Cattina le Dim 14 Juin - 19:51

Coucou Florent,

désolée, je vais peut être encore être dure, mais à ce stade de l'année, il le faut, le jury le sera plus que moi, et c'est lui qui te mettra la note.

Ce que tu présentes ici, c'est un cours de fac, il n'y a pas de démarche scientifique.

Tu ne peux pas faire une partie entière sur la photosynthèse et la photorespiration sans parler des plantes en C4 et CAM, c'est le coeur du sujet, tu dois le mettre en avant dès le I. Il faut commencer par ça !! En gros, on sait ce que c'est la photosynthèse, à la limite, un schéma en intro pour rappel et basta. Là, tu perds 1/3 de ton exposé pour rien !

Le IV ne doit pas être un IV il doit être construit tout au long de l'exposé, sinon, tu vas y répéter tout ce que tu auras dit dans l'exposé, et le jury va s'ennuyer, et en plus, ça risque d'être très long.


Bon après les critiques, voyons ensemble... Que faire ?

Le titre c'est les plantes en C4 et CAM donc il ne faut pas les séparer... et il faut les comparer. Les comparer entre elles, et les comparer toutes les deux avec C3, implicite, mais évident, tu l'as bien vu.
En premier, il faut commencer tout bêtement par montrer ce que c'est que des plantes en C4 et CAM. C'est ce que tu fais dans le II qui doit devenir un I, avec mises en évidence. Pourquoi ça s'appelle C4, pourquoi CAM... ?
Montrer la différence majeure entre ces deux types : l'un découple la photosynthèse dans l'espace, l'autre découple la photosynthèse dans le temps.

Toi, tu sépares C4 et CAM or, il faut les traiter ensemble, même si c'est différent, dans le fond, il y a un point commun : il y a de la photosynthèse, et c'est découplé, par de la même façon, mais quand même.

Ensuite seulement, tu peux faire le rapport entre ces espèces et leur milieu de vie et donc montrer que c'est une adaptation, avec des graphiques de température, d'eau etc et de présence des plantes en C4 et CAM... Tu auras ça dans les bouquins d'écologie.

Bon, ça fait que 2 parties, à voir si ça tient la route et si on a oublié des choses...


Est-ce que tu comprends ce que je te reproche ? Est-ce que d'autres ont des avis ?

Bon courage !!!

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Re: Plantes à C4 et CAM

Message par Toumai le Dim 14 Juin - 20:00

Je comprends pas de problème
Je vais m'y remettre

Merci

Toumai

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Re: Plantes à C4 et CAM

Message par Toumai le Dim 14 Juin - 22:23

Voila le second jet, j'ai essayé de faire trois parties mais je suis pas convaincu
Et beaucoup de mal pour le coté démonstratif... En fait on se sert de faits pour commencer puis on appui ces observations par des expériences historique et ensuite on présente le modèle, c'est bien ça?
Sauf que là j'ai pas trop d'expériences...

Les plantes en C4 et CAM

Intro : Les plantes vertes sont des organismes autotrophes, elles produisent leur MO grâce à l'énergie quelles puisent de la lumière : ce processus s'appelle la photosynthèse. Au cours de la photosynthèse une enzyme permet de fixer le CO2 et de le réduire sous forme glucidique dans une étape de la phase non photochimique du cycle de Calvin-Benson.
Cette enzyme à donc la particularité de pouvoir intégrer à une molécule de ribulose un CO2 afin de former une molécule de glycérate.
Cependant cette enzyme est dépendante de la concentration en CO2 dans la cellule et peut selon les conditions retransformer des molécules organique en CO2 inorganique ce qui pour la plante représente une baisse de rendement : ce phénomène mis en évidence en 1969 à été apellé la photorespiration.
Au cours de l'évolution certains métabolismes alternatifs ont été sélectionné et certaines plantes ont développées des modes de fixation du carbone qui réduisent la photorespiration au minimum et optimisent le cycle de Calvin : ces plantes sont appelées plantes en C4 et nous verrons pourquoi au cours de notre exposé. D'autres plantes ont développée en plus de ce métabolisme particulier des adaptations remarquables contre la sécheresse, leur permettant de conservé une photosynthèse même dans les climats les plus arides : ces plantes ont un métabolisme dit CAM pour métabolisme acide crassulacéen. En effet l'eau est aussi un facteur limitant du métabolisme photosynthétique chez les plantes de nombreux climats.

Pendant l'intro on projette le schéma global de la photosynthèse on le commente rapidement puis on montre une plante de type C4 et une plante CAM.

Quels mécanismes développés chez les plantes C4 et CAM permettent d'optimiser la photosynthèse?

Au cours de cet exposé nous verrons en quoi les plantes au types C4 possèdent-elles un métabolisme plus performant que les plantes C3. Puis nous nous pencherons sur le métabolisme CAM et étudierons pourquoi il constitue une adaptation très efficace en milieu aride.

I – Un découplage de la photosynthèse dans l'espace : les plantes en C4.

On commence déjà par montrer une plante de type C4 et on la décrit brièvement

a) Un métabolisme plus performant

Graph comparatif photosynthèse C4/C3 en fonction du taux de CO2, explication du point de compensation (Mayer)

On analyse le graph et on remarque que les plantes en C4 sont plus performantes pour des valeurs en CO2 plus faibles, on part donc de l'observation du réel qu'on va essayer de comprendre.
On explique le point de compensation.

b) La synthèse d'un composé à 4C

On montre une coupe microscopique d'une feuille de plante C4, en expliquant les expériences (cela permet de montrer la compartimentation)

Ce composé est découvert en 1954 par Kortschak, Burr et Hartt chez la canne à sucre grâce à des marquages au 14C du CO2, en 1960 chez le maïs par Karpilov : premier composé stable radioactif formé au cours de la photosynthèse + sucre en C4 (malate) d'où le nom de ce métabolisme.
En 1966 Hatch et Slack proposent un modèle pour ce processus qui porte désormais leur nom.
La PEP carboxylase permet de reduire le PEP en malate dans les cellules du mesophylle.
On a donc une production de malate au cours de ce métabolisme, quel avantage cela apporte t-il à la plante?

c) Réduire la photorespiration

Comme nous l'avons dis en introduction la photosynthèse fait intervenir le cycle de Calvin qui permet de réduire le CO2 en sucres simples.

Schéma simplifié de la photosynthèse (C3) et du cycle de Calvin.

Comme on peut le voir sur ce cycle une enzyme joue un rôle essentiel dans la reduction du CO2, il s'agit de la Ribulose Carboxylase Oxydase. Cette enzyme comme son nom l'indique permet d'effectuer une carboxylation du ribulose (ajout d'un CO2) afin de le transformer en glycérate.

Cependant cette enzyme a une action réversible : lorsque les stomates sont fermés par temps chaud et/ou sec la Rubisco peut inverser son action et fonctionner comme une oxydase. Dans ces conditions le taux de CO2 étant décroissant à l'intérieur de la feuille (car fixé sur le ribulose) l'activité de la rubisco ralentit et peut même retransformer des composés organiques carbonnés comme le glycolate en CO2, ce qui représente une perte sèche de rendement pour la plante.
Certains scientifiques estiment que ce phénomène est une relique métabolique des temps ou l'oxygène était plus rare dans l'atmosphère et le CO2 plus abondant, cependant cela reste une hypothèse. On peut aussi considérer la photorespiration comme un moyen de protection des effets potentiellement nocifs d'une forte teneur en 02 dans les tissus végétaux. En fait on ne sait pas si elle comporte un quelquonque avantage pour les végétaux mais il a pu être mesuré que 50% du carbone fixé par le cycle de Calvin été rejeté par ce processus chez les grandes cultures type blé.

Pour résumer la photorespiration réduit le rendement de la photosynthèse en soutirant de la matière au cycle de Calvin.

Schéma des étapes de la photorespiration.

On explique que le malate est transporté dans les cellules de la gaine ou a lieu le cycle de Calvin, la décarboxylation du malate dans les cellules de la gaine permet de maintenir un taux de CO2 suffisamment important pour limiter voire supprimer la photorespiration.
Affinité plus grande de la PEP pour le CO2 (sous forme de bicarbonate) par rapport à la rubisco, 6 x plus, ce qui permet de concentrer le CO2 au voisinage de la rubisco et donc d'inhiber totalement la photorespiration.


On montre le schéma final du métabolisme C4, qu'on compare avec celui du métabolisme C3


II – Un découplage de la photosynthèse dans le temps : les plantes CAM

Expériences??????

On montre plusieurs types de plantes en CAM et on explique leur écologie, on part donc de l'observation! Comment ces plantes font elles pour survivre dans des climats aussi arides?

a) Le jour : un métabolisme en C4

Explication du métabolisme CAM de jour (=métabolisme C4 couplée dans le temps) avec schéma à l'appui.
b) La nuit : un métabolisme en C3

Explication du processus avec ouverture des stomates + schémas

c) une évolution convergente

On montre une CAM et on élargit sur les autres adaptations face à la sécheresse (épaisseur épiderme, pression osmotique interne très élevée...), on montre un cactus et un euphorbe.

Certaines plantes de types CAM sont aussi un bel exemple d'évolution convergente : cactus et euphorbe peuvent être morphologiquement et physiologiquement semblables bien que les premiers aient émergés en Amérique et les second en Afrique et qu'ils appartiennent à des famille distinctes.
On élargit sur l'adaptation à la secheresse et on explique le rapport structure fonction.

Bilan sur la capacité qu'on ces plantes à pousser dans des milieux arides.
Ne pas oublier qu'en periode humide les CAM peuvent redevenir C3.



III - Des mécanismes plus exigeants en énergie (ou inclus au long de l'exposé...?)

On rajoute les étapes de formation/consommation d'ATP sur le schéma.

Bilan de la fixation d'une molécule de CO2 par la photosynthèse en C4 :

* Dans les cellules de la gaine (comme pour les C3) : 3 ATP et 2 NADPH par molécule de CO2 assimilé.
* Dans les cellules du mésophylle, il y a besoin de 2 ATP supplémentaires pour régénérer le PEP à partir du pyruvate.

Au total, il faut 5 ATP et 2 NADPH par molécule de CO2 assimilé.

Mais plus efficace dans un environnement chaud et sec car même lorsque les stomates sont fermées le mécanisme fonctionne bien (pout une faible concentration en CO2) et car la chaleur favorise la fonction oxygénase de la Rubisco (l'absence de photorespiration rend la photosynthèse C4 plus efficace en climat chaud et sous éclairement intense que la C3). L'éclairement max permet la synthèse max d'ATP nécessaire à ce métabolisme plus couteux en énergie.


Conclu :

pour produire leur matière organique les plantes ont besoin de transformer l'énergie lumineuse en énergie chimique lors de la photosynthèse. Ce processus peut être optimisé par principalement deux processus, l'un particulièrement adapté aux climats chauds et humides (C4) et l'autre particulièrement résistant dans des conditions de sécheresse extrème (CAM).

Notons que le métabolisme en C4 a certainement apporté un avantage durant les périodes glaciaires ou le taux de CO2 était plus faible.

En ce qui concerne les plantes C4 elles représentent une source non négligeable d'apport de matière carbonées pour les populations humaines notamment en ce qui concerne le maïs, le sorgho, la canne à sucre...
Les plantes à type CAM représentent un exemple très pertinent de lien entre la structure et la fonction chez les êtres vivants autotrophes mais aussi d'adaptation à l'environnement

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Re: Plantes à C4 et CAM

Message par Manoo le Lun 15 Juin - 4:25

je trouve que c'est passer à côté que de séparer C4 et CAM

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Re: Plantes à C4 et CAM

Message par Cattina le Lun 15 Juin - 6:47

D'accord avec Manoo, d'ailleurs, je te l'avais dit, il y a un "et" dans le sujet, il faut donc les traiter ensemble...

Un autre essai ? (tu as les connaissances, il faut réorganiser...)

Pour le côté scientifique, observations, expériences (mais pas obligé), modèles... pour aboutir à la théorie.

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Re: Plantes à C4 et CAM

Message par Toumai le Lun 15 Juin - 16:22

Merci pour ces comm effectivement j'aurais du traiter tout ça ensemble je voyais vraiment pas comment.

Par contre il na faudrait pas plutôt partir de la description (onbservation) avant d'expliquer les métabolisme??

Je m'y remet

Merci!!

Toumai

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Re: Plantes à C4 et CAM

Message par Marie B. le Lun 15 Juin - 16:32

si ca peut te remonter le moral Florent, je pense que je serais partie sur un plan environ comme ton second plan... pas évident en effet finalement ce fichu "ET"
bon courage!!
et oui, si tu trouves une facon de partir de l'observation c'est toujours à privilégier je pense... c'est une démarche scientifique!!

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Re: Plantes à C4 et CAM

Message par Toumai le Lun 15 Juin - 16:36

Les plantes en C4 et CAM

Intro

Quels mécanismes développés chez les plantes C4 et CAM permettent d'optimiser la photosynthèse?

I – Une optimisation du rendement photosynthétique.


a) Un métabolisme plus performant

b) La synthèse d'un composé à 4C

c) Réduire la photorespiration

d) Un découplage de la photosynthèse dans le temps : les plantes CAM

1) Le jour : un métabolisme en C4

2) La nuit : un métabolisme en C3


II – Ecologie à partir d’exemples

a – Différences énergétiques
b – Des plantes adaptées à la sécheresse
c – Une évolution convergente des plantes CAM


Conclu

Voila j'arrive pas à mieux et c'est franchement pas équilibré... en plus je trouve ça ridicule de pas parler des adaptations à la secheresse dans la foulée pour les CAM.
De plus finalement les plantes C4 sont pluôt adaptées aux climats humides ou elles sont plus eprformantes donc ça cloche aussi...

Toumai

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